畜禽養(yǎng)殖糞水處理與資源化中的利用之達(dá)標(biāo)排放

吳樹彪，鞠鑫鑫，邵 蕾，楊守軍，孔凡克，羅 星，王 偉，董仁杰*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東 煙臺 264670；2.山東中農(nóng)三月環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆綎| 煙臺 264670)

畜禽養(yǎng)殖糞水處理與資源化中的利用之達(dá)標(biāo)排放

吳樹彪1，鞠鑫鑫2，邵 蕾1，楊守軍1，孔凡克1，羅 星1，王 偉1，董仁杰1*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院，山東 煙臺 264670；2.山東中農(nóng)三月環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆綎| 煙臺 264670)

畜禽養(yǎng)殖糞水的達(dá)標(biāo)排放是指利用物理、化學(xué)、生物等手段處理養(yǎng)殖糞水，使其達(dá)到農(nóng)用灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后排放。本文以畜禽糞水經(jīng)過厭氧發(fā)酵后的沼液達(dá)標(biāo)排放處理流程為模板，詳細(xì)介紹了沉淀預(yù)處理、好氧氧化和人工濕地生態(tài)處理等不同階段的主要技術(shù)工藝和參數(shù)要求，為畜禽養(yǎng)殖場糞水無害化處理和達(dá)標(biāo)排放提供指導(dǎo)意見，減輕畜禽養(yǎng)殖對環(huán)境造成的危害，推動我國規(guī)?；B(yǎng)殖綠色、健康發(fā)展。

達(dá)標(biāo)排放；沉淀預(yù)處理；好氧氧化；人工濕地

近年來，專業(yè)化、規(guī)模化和集約化的養(yǎng)殖模式大大提高了畜禽養(yǎng)殖的生產(chǎn)效率和飼料轉(zhuǎn)化率。但是規(guī)?；B(yǎng)殖在有效地降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也造成了糞尿過度集中和沖洗水大量增加等問題，給生態(tài)環(huán)境帶來極大壓力[1]。目前，畜禽養(yǎng)殖糞水的最佳的處理方式是還田，包括直接還田和厭氧發(fā)酵后沼液還田。但是由于匹配土地的資源性限制，對于多雨、土地面積小、無法進(jìn)行種養(yǎng)結(jié)合的地區(qū)，養(yǎng)殖場糞水往往需要經(jīng)過處理后，達(dá)標(biāo)排放[2]。

2017年6月27 日，全國人大常委會通過了關(guān)于修改《中華人民共和國水污染防治法》的決定，要求向農(nóng)田灌溉渠道排放未綜合利用的畜禽養(yǎng)殖廢水應(yīng)當(dāng)保證其下游最近的灌溉取水點(diǎn)的水質(zhì)符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB 5084-2005。這就意味著養(yǎng)殖場排放糞水不僅僅要滿足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》還要考慮其下游最近的灌溉取水點(diǎn)的水質(zhì)要求（表1）。

對于無法開展種養(yǎng)結(jié)合農(nóng)田循環(huán)利用的畜禽糞水厭氧發(fā)酵后的沼液，為了滿足國家政策法規(guī)要求，避免排放對環(huán)境造成污染，需要對其進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放處理，處理工藝一般需要沉淀預(yù)處理、好氧氧化和生態(tài)處理等多種處理技術(shù)的組合。畜禽糞水處理后達(dá)標(biāo)排放的具體流程如圖1所示。

1 沉淀預(yù)處理

畜禽糞水厭氧發(fā)酵后的沼液在進(jìn)行達(dá)標(biāo)排放處理工藝之前需要采取一定的沉淀預(yù)處理措施，防止沼渣等固形物進(jìn)入后續(xù)處理環(huán)節(jié)，造成設(shè)備的堵塞或破壞等。針對糞水沼液中的大顆粒物質(zhì)或易沉降物質(zhì)的特性，畜禽養(yǎng)殖業(yè)多采用沉淀技術(shù)進(jìn)行預(yù)處理。目前，畜禽養(yǎng)殖場常用的沉淀池工藝多為平流式沉淀池（圖2）。池體一般為矩形池，長寬比以4～5為宜。廢水從一端向另一端水平流過。進(jìn)水通過溢流堰、穿孔墻等均勻進(jìn)入池內(nèi)。采用溢流堰式出水。池前底部有集泥斗，通過水靜壓力排泥。沉淀預(yù)處理池體積較大時(shí)，需要附加機(jī)械排泥設(shè)備。

平流式沉淀池由進(jìn)、出水口，水流部分和污泥斗3部分組成。平流式沉淀池多采用混凝土筑造，也可用磚石圬工結(jié)構(gòu)或用磚石襯砌的土池。平流式沉淀池構(gòu)造簡單，沉淀效果好，工作性能穩(wěn)定，使用廣泛，但占地面積較大。若加設(shè)刮泥機(jī)或?qū)Ρ戎剌^大的沉渣采用機(jī)械排除，可以提高沉淀池的工作效率。入流處的擋板一般高出沉淀池水面0.1～0.15 m，擋板的浸沒深度應(yīng)不少于0.25 m，一般用0.5～1.0 m，擋板距進(jìn)水口0.5～1.0 m。出水堰不僅可以控制沉淀池內(nèi)的水面高度，而且對沉淀池內(nèi)水流的均勻分布也有直接影響。沉淀池沿整個出流堰的單位長度溢應(yīng)該相等，對于初沉池一般為250 m3/(m·d)，二沉池為130～250 m3/(m·d)。鋸齒形三角堰應(yīng)用最普遍，水面宜位于齒高的1/2處。為適應(yīng)水流的變化或構(gòu)筑物的不均勻沉降，堰口處需設(shè)置能使堰板上下移動的調(diào)節(jié)裝置，使出口堰口盡可能水平。堰前設(shè)置擋板，以阻攔漂浮物，或設(shè)置浮渣收集和排除裝置。擋板應(yīng)當(dāng)高出水面0.1～0.15 m，浸沒在水面下0.3～0.4 m，距出水口處0.25～0.5 m。多斗式沉淀池，可不設(shè)置機(jī)械刮泥設(shè)備。每個貯泥斗單獨(dú)設(shè)置排泥管，獨(dú)立排泥，互不干擾，保證沉泥的濃度。在池的寬度方向污泥斗一般不多于兩排。

2 好氧氧化工藝

序批式活性污泥法（Sequencing Ba tch Reactor Activated Sludge Process， S BR）是一種間歇式活性污泥工藝，它把污水處理構(gòu)筑物從空間系列轉(zhuǎn)化為時(shí)間系列，在同一構(gòu)筑物內(nèi)進(jìn)行進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置等周期循環(huán)（圖3）。序批活性污泥法是集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，無污泥回流系統(tǒng)的一種處理工藝。該工藝比其他工藝簡單、剩余污泥處置麻煩少、節(jié)約投資、占地少、運(yùn)行費(fèi)用低、耐有機(jī)負(fù)荷和毒物負(fù)荷沖擊、運(yùn)行方式靈活、出水效果好、厭（缺）氧和好氧過程交替發(fā)生、泥齡短、活性高，有很好的脫氮除磷效果[3]。

表1 畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)及農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)參考列表

圖1 畜禽糞水厭氧發(fā)酵后的沼液達(dá)標(biāo)排放處理流程

圖2 平流式沉淀池示意圖

圖3 序批活性污泥法工藝流程圖

表2 序批活性污泥工藝在去除污水中氨氮為主要目標(biāo)時(shí)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

序批活性污泥法停留時(shí)間一般為 3～5 d，污泥回流比通 常 為 30%～ 50%。BOD（ 生化需氧量）有機(jī)負(fù)荷率通常為 0.13～0.3 kg BOD /(m·d)，污泥齡約 5～15 d。SBR進(jìn)水應(yīng)符合下列條件：①水溫宜為12～35 ℃、pH宜為6～9、BOD5/COD的值宜不小于0.3；②有去除氨氮要求時(shí)，進(jìn)水總堿度（以CaCO3計(jì)）/氨氮（NH3-N）的值宜不小于7.14，不滿足時(shí)應(yīng)補(bǔ)充堿度；③有脫氮要求時(shí)，進(jìn)水的BOD5/總氮（TN）的值宜不小于4.0，總堿度（以CaCO3計(jì)）/氨氮的值宜不小于3.6，不滿足時(shí)應(yīng)補(bǔ)充碳源或堿度；④有除磷要求時(shí)，進(jìn)水的BOD5/總磷（TP）的值宜不小于17；⑤要求同時(shí)脫氮除磷時(shí)，宜同時(shí)滿足③和④的要求。

序批活性污泥法工藝反應(yīng)池有效反應(yīng)容積可按下式計(jì)算：

式中：

V1——反應(yīng)池有效容積（m3）；

Q′——每個周期進(jìn)水量（m3）；

S0——反應(yīng)池進(jìn)水五日生化需氧量（mg/L）；

Ls——反應(yīng)池的五日生化需氧量污泥負(fù)荷（kg BOD5/( kg MLSS·d)）；

X——反應(yīng)池內(nèi)混合液懸浮固體（MLSS）平均質(zhì)量濃度（kg/m3）；

tR——每個周期反應(yīng)時(shí)間（h）。

序批活性污泥工藝在去除污水中氨氮為主要目標(biāo)時(shí)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

圖4 人工濕地建設(shè)流程圖

表3 人工濕地的表面水力負(fù)荷

表4 人工濕地的表面污染負(fù)荷 g/(m2·d)

該工藝可有效去除沼液中的氨氮和剩余有機(jī)物，工藝流程簡單，占地少，管理方便，投資與運(yùn)行費(fèi)用較低，出水水質(zhì)較好，適用于大中型養(yǎng)殖場應(yīng)用。

3 生態(tài)處理工藝

生態(tài)處理法是利用天然水體、土壤和生物的物理、化學(xué)與生物學(xué)綜合作用來凈化污水，其凈化機(jī)理主要包括過濾、截留、沉淀、物理和化學(xué)吸附、生物氧化及生物吸收等[4]。該工藝能充分利用地形，結(jié)構(gòu)簡單，建設(shè)費(fèi)用低，以土石結(jié)構(gòu)為主，易于施工。

3.1 人工濕地系統(tǒng)選型

人工濕地系統(tǒng)選型應(yīng)充分考慮其系統(tǒng)特點(diǎn)和當(dāng)?shù)貤l件，進(jìn)行最佳的系統(tǒng)選型。表面流人工濕地工藝的特點(diǎn)是廢水在人工濕地的土壤表層流動，水位較淺，一般在0.1～0.6 m，與潛流工藝相比，投資少，但負(fù)荷??；冬季北方地區(qū)表面會結(jié)冰，夏季可能會繁殖蚊子，還會有臭味。潛流人工濕地工藝的特點(diǎn)是廢水在人工濕地的地表下流動，保溫效果好，處理負(fù)荷相對較高，處理效果受氣候的影響較小，但投資比表面流工藝要高。該工藝繁殖蚊子和產(chǎn)生臭味的可能性很小，是目前國際上采用較多的一種工藝。復(fù)合人工濕地工藝在綜合考慮不同濕地工藝特點(diǎn)的同時(shí)，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w情況，發(fā)揮多種工藝的最大優(yōu)勢而產(chǎn)生的一種組合工藝。

3.2 人工濕地污水處理系統(tǒng)選址

在人工濕地建設(shè)前，應(yīng)先對建設(shè)地實(shí)際情況進(jìn)行考察論證，調(diào)查預(yù)處理污水量，分析污水水質(zhì)，確定處理規(guī)模以及有關(guān)污染物的去除率，進(jìn)行科學(xué)評估后進(jìn)入設(shè)計(jì)規(guī)劃階段，最后按設(shè)計(jì)規(guī)劃進(jìn)行工程建設(shè)，工程交付完成后進(jìn)入運(yùn)行管理及科學(xué)研究階段，詳細(xì)流程如圖4所示。

3.3 人工濕地設(shè)計(jì)計(jì)算方法

人工濕地的設(shè)計(jì)可以按照表面水力負(fù)荷和表面污染負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如下：

人工濕地表面水力負(fù)荷按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

qh——人工濕地的水力負(fù)荷率（m3/(m2·d)）；

Qin——人工濕地的進(jìn)水流量（m3/d）；

AW——面積（m2）。

表面流人工濕地、潛流人工濕地的表面水力負(fù)荷推薦值如表3所示。對于冬季溫度在0 ℃以下的地區(qū)，為保證低溫情況下的水質(zhì)凈化效果，冬季應(yīng)做好保溫措施，且表面水力負(fù)荷應(yīng)取低值，并設(shè)置一定的保證系數(shù)。

表面污染負(fù)荷按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

qp——人工濕地的表面污染負(fù)荷（g/(m2·d)）；

Qin——人工濕地水質(zhì)凈化系統(tǒng)的進(jìn)水流量（m3/d）；

C0——進(jìn)水中的污染物濃度值（mg/L）；

Ce——出水中的污染物濃度值（mg/L）；

AW——面積（m2）。

表面流人工濕地、潛流人工濕地的表面污染負(fù)荷推薦值如表4所示。對于冬季溫度在0 ℃以下的地區(qū)，為保證低溫情況下的水質(zhì)凈化效果，冬季應(yīng)做好保溫措施，且表面污染負(fù)荷應(yīng)取低值，并設(shè)置一定的保證系數(shù)。

3.4 人工濕地建設(shè)施工

人工濕地的建筑結(jié)構(gòu)包括底部的襯墊和圍堰；水流的分布結(jié)構(gòu)；水位調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)；以及水流分布和收集管道。

1）對于新建人工濕地，根據(jù)設(shè)計(jì)形成的濕地單元，分單元進(jìn)行挖掘，將場地挖到設(shè)計(jì)深度，平整夯實(shí)，保證達(dá)到設(shè)計(jì)坡度，然后進(jìn)行防滲處理，以防止地下水受到污染或防止地下水滲透進(jìn)入濕地，這個過程是人工濕地地基的準(zhǔn)備。地基上鋪上紡織網(wǎng)，大的石塊必須被清除，或者在地基上鋪上砂子防治破壞滲透層。

2）圍堰是濕地建筑中的一個普通的要素?？傮w來講，圍堰的高度一般不超過上坡周圍地形20 cm。上坡圍堰被用來轉(zhuǎn)移表面徑流。下坡圍堰設(shè)計(jì)用來爆出礪石床和維持濕地的水位。圍堰的壓實(shí)程度必須是90%的最大密度。

3）人工濕地基質(zhì)選擇：潛流人工濕地基質(zhì)層的初始孔隙率宜控制在35%～40%；進(jìn)水配水區(qū)和出水集水區(qū)的基質(zhì)一般采用60～100 mm粒徑的礫石，均勻分布于整個床體。進(jìn)、出水口則應(yīng)填充較大粒徑的礫石，以防堵塞。

4）人工濕地植物的選擇：人工濕地可選擇蘆葦、蒲草、荸薺、蓮、水芹、水蔥、茭白、香蒲、千屈菜、菖蒲、水麥冬、風(fēng)車草、燈芯草等挺水植物。人工濕地植物種植的時(shí)間宜為春季。植物種植密度可根據(jù)植物種類與工程的要求調(diào)整，挺水植物的種植密度宜為9～25株/m2，浮水植物和沉水植物的種植密度均宜為3～9株/m2。

5）在啟動階段，需對濕地內(nèi)雜草進(jìn)行處理，一般可采用淹水滅雜草的辦法。人工濕地在栽種濕地植物后需要充水，將水位控制在地面以下25 mm處。按設(shè)計(jì)流量運(yùn)行3個月后，將水位降低到距濕地床底0.2 m處運(yùn)行，以促進(jìn)濕地植物的根系向床體深處發(fā)展，待根系深入到床底生長后，可再將水位調(diào)節(jié)到地表以下0.2 m處，開始正常運(yùn)行。

[1] 陳子愛，鄧良偉.生豬標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖糞污處理關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀效果分析[J].飼料與畜牧·規(guī)模養(yǎng)豬，2013(7)：5-8.

[2] 孔凡克，邵蕾，楊守軍，等.固液分離技術(shù)在畜禽養(yǎng)殖糞水處理與資源化利用中的應(yīng)用 [J]. 豬業(yè)科學(xué) ，2017，34(4)：96-98.

[3] 國家環(huán)境保護(hù)總局科技標(biāo)準(zhǔn)司. 畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 18596-2001[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

[4] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部. 農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 5084-2005[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[5] 湯歡歡.城市污水處理工藝的現(xiàn)狀分析及問題研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版）2015(7).

[6] 吳樹彪，董仁杰.人工濕地生態(tài)水污染控制技術(shù)與理論[M].北京：中國林業(yè)出版社，2016.

[7] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部. 人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范：HJ 2005-2010[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2010.

2017-08-11）

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016ZDJS11A07），煙臺市科技發(fā)展計(jì)劃（2015ZH070，2016ZH075）

作者：吳樹彪（1983－），男，博士，主要從事人工濕地污水處理及厭氧發(fā)酵工藝研究，E-mail：wsb4660017@126.com

*通訊作者：董仁杰，教授，博導(dǎo)，主要從事生物質(zhì)能、有機(jī)廢棄物資源化研究。E-mail： rjdong@cau.edu.cn